Theo một nghiên cứu mới, phần lõi sâu của Uranus và Neptune có thể chứa một dạng vật chất chưa từng được biết đến trước đây. Công trình do các nhà khoa học Cong Liu và Ronald Cohen thực hiện, công bố trên Nature Communications, cho thấy hợp chất carbon–hydro (CH) có thể hình thành một trạng thái “siêu ion” đặc biệt trong điều kiện cực đoan.

Hiện nay, hơn 6.000 exoplanet đã được phát hiện, và con số này vẫn tiếp tục tăng. Để hiểu rõ hơn về các thế giới này, các nhà khoa học từ nhiều lĩnh vực đang kết hợp quan sát, thí nghiệm và mô hình lý thuyết nhằm khám phá cách hành tinh hình thành, tiến hóa và tạo ra từ trường.

Bí ẩn của “băng nóng”

Dữ liệu cho thấy bên trong Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có thể tồn tại các lớp “băng nóng”—nằm giữa lớp khí hydro–helium bên ngoài và lõi đá bên trong. Những lớp này được cho là chứa nước, methane và amoniac, nhưng dưới áp suất và nhiệt độ cực cao, chúng có thể mang những đặc tính hoàn toàn khác thường.

Để nghiên cứu, các nhà khoa học đã sử dụng mô phỏng lượng tử kết hợp trí tuệ nhân tạo, tái hiện điều kiện áp suất từ 5 đến 30 triệu lần áp suất khí quyển Trái Đất và nhiệt độ lên tới hàng nghìn độ C.

Kết quả cho thấy vật chất có thể hình thành cấu trúc mạng tinh thể lục giác, trong đó các nguyên tử hydro di chuyển theo quỹ đạo xoắn ốc. Chuyển động này tạo ra một trạng thái gọi là “siêu ion một chiều giả” (quasi-one-dimensional superionic).

Trong trạng thái siêu ion, vật chất vừa mang đặc tính của chất rắn (cấu trúc tinh thể ổn định) vừa giống chất lỏng (một số nguyên tử có thể di chuyển tự do). Điểm đặc biệt ở đây là chuyển động của hydro không diễn ra theo mọi hướng mà tập trung theo những “đường xoắn” xác định trong mạng carbon.

Ý nghĩa đối với khoa học hành tinh

Khám phá này có thể giúp giải thích cách nhiệt và điện truyền bên trong các hành tinh băng khổng lồ. Điều này đặc biệt quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến cách năng lượng phân bố và cách từ trường của các hành tinh này hình thành.

Ngoài ra, nghiên cứu còn cho thấy ngay cả những hệ hóa học đơn giản như carbon và hydro cũng có thể tạo ra cấu trúc cực kỳ phức tạp trong điều kiện khắc nghiệt—mở rộng hiểu biết của con người về vật chất dưới áp suất và nhiệt độ cao.

Các nhà khoa học cho rằng những đặc tính “định hướng” của vật liệu này không chỉ quan trọng trong thiên văn học mà còn có thể ứng dụng trong khoa học vật liệu và kỹ thuật, nơi việc kiểm soát dòng nhiệt và điện là yếu tố then chốt.

Phát hiện này vì thế không chỉ giúp hé lộ những bí mật sâu bên trong các hành tinh xa xôi, mà còn góp phần mở rộng giới hạn hiểu biết của con người về vật chất trong những điều kiện cực đoan nhất của vũ trụ.